Wie elektromagnetische Relais funktionieren und wozu sie benötigt werden

Elektromagnetische Relais: Funktionsprinzip, Aufbau und Anwendung

Elektromagnetische Relais (manchmal auch einfach als elektrisches Relais bezeichnet) sind Schlüsselkomponenten in elektronischen und elektrotechnischen Systemen, die zur Steuerung und Umschaltung elektrischer Schaltungen verwendet werden. Trotz des Aufkommens von Festkörper- (Halbleiter-) Relais werden elektromagnetische Relais aufgrund ihrer Zuverlässigkeit, Einfachheit und Fähigkeit, mit hohen Strömen und Spannungen zu arbeiten, nach wie vor häufig eingesetzt. In diesem Artikel werden wir folgende Punkte behandeln:

1. Aufbau und Funktionsweise eines elektromagnetischen Relais.
2. Wofür elektromagnetische Relais in verschiedenen Bereichen verwendet werden.
3. Ihre Vor- und Nachteile sowie typische Anwendungsbereiche.

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Aufbau des Elektromagneten im Relais

Um das Funktionsprinzip eines Relais zu verstehen, ist es zunächst wichtig, die Grundlagen des Aufbaus eines Elektromagneten zu betrachten. Ein Elektromagnet ist eine Drahtspule, die auf einen ferromagnetischen Kern (zum Beispiel aus Stahl) gewickelt ist. Wenn elektrischer Strom durch die Spule fließt, entsteht ein Magnetfeld, das das bewegliche Teil des Relais – den Anker oder ein anderes mechanisches Element – anzieht oder abstößt.

Hauptelemente eines elektromagnetischen Relais

1. Spule (Solenoid)

   • Dies ist ein Draht, der um den Kern gewickelt ist. Wenn Strom in die Spule fließt, erzeugt sie ein Magnetfeld.
   • Der Wickeldraht hat einen bestimmten Widerstand, der auf die Betriebsspannung ausgelegt ist (zum Beispiel 5 V, 12 V, 24 V, 220 V usw.).

2. Anker (bewegliches Element)

   • Befindet sich in der Nähe der Spule und erfüllt die Funktion eines „Schlosses“, das sich unter dem Einfluss des Magnetfeldes bewegt.
   • Der Anker kann an einem drehbaren Hebel befestigt oder so angeordnet sein, dass er Kontakte schließt oder öffnet.

3. Kontaktblock

   • Besteht aus festen und beweglichen Kontakten (NO/NC – Normally Open/Normally Closed).
   • Beim Auslösen des Ankers schließen oder öffnen sich die Kontakte, was zu einer Umschaltung des elektrischen Kreises führt.

4. Rückstellfeder

   • Sorgt dafür, dass der Anker in die Ausgangsposition zurückkehrt, wenn die Spule stromlos ist.
   • Im entspannten Zustand können die Kontakte sowohl offen als auch geschlossen sein – abhängig von der Konstruktion des Relais.

Funktionsprinzip des elektromagnetischen Relais

1. Stromversorgung der Spule
   Wenn die Spule mit Strom versorgt wird (elektrischer Strom), entsteht ein Magnetfeld.

2. Anziehung des beweglichen Teils
   Dieses Magnetfeld zieht oder stößt den Anker (bewegliches Teil) an. Das Ergebnis ist eine mechanische Bewegung, die den Zustand der Kontakte (offen/geschlossen) ändert.

3. Umschaltung der Kontakte
   Durch die mechanische Bewegung erfolgt das Schließen oder Öffnen der Kontakte im Kontaktblock.

   • Wenn der Kontakt NO (Normally Open) ist – ist er normalerweise offen, wird aber beim Anlegen von Strom an die Spule geschlossen.
   • Wenn der Kontakt NC (Normally Closed) ist – ist er normalerweise geschlossen, wird aber beim Anlegen von Strom geöffnet.

4. Steuerung des externen Kreises
   Durch die Änderung des Zustands der Kontakte können externe elektrische Schaltungen geschlossen oder geöffnet werden. So kann ein kleiner Strom in der Spule einen großen Strom in einem anderen Kreis steuern.

5. Unterbrechung des Magnetfeldes
   Wenn die Stromversorgung der Spule unterbrochen wird, verschwindet das Magnetfeld. Die Feder bringt den Anker in die Ausgangsposition zurück, und die Kontakte kehren in ihren ursprünglichen Zustand zurück.

Dieses Wirkprinzip demonstriert das Funktionsprinzip des elektromagnetischen Relais, das der Grundlage der meisten Relaiskonstruktionen zugrunde liegt. Es ist relativ einfach, zuverlässig und vielseitig.

Wofür werden elektromagnetische Relais verwendet: Hauptanwendungsbereiche

1. Automatisierung und Steuerung

• Steuerung von Motoren und Mechanismen: In industriellen Anwendungen werden Relais verwendet, um Elektromotoren, Pumpen, Ventilatoren und andere große Verbraucher umzuschalten, die nicht direkt von schwachstromelektronischen Geräten gesteuert werden können.
• Beleuchtungssysteme: Werden verwendet, um große Gruppen von Lampen oder Scheinwerfern automatisch ein- oder auszuschalten.
• Heizungs- und Klimaanlagen: Ermöglichen die Steuerung von Kesseln, Konvektoren, Belüftungssystemen usw., um die gewünschte Temperatur zu gewährleisten.

2. Elektronik und Mikrocontroller

• Erweiterung von Ein- und Ausgängen: In Mikrocontrollersystemen oder SPS (speicherprogrammierbaren Steuerungen) dienen Relais zum Umschalten großer Ströme und Spannungen im Vergleich zu schwachen Signalen von Steuerungselektronik.
• Galvanische Trennung: Elektromagnetische Relais bieten eine klare elektrische Isolation zwischen dem Steuerkreis und dem Lastkreis, was für die Sicherheit und den Schutz vor Störungen wichtig ist.

3. Telekommunikation und Kommunikation

• Umschaltung von Kommunikationsleitungen: In Telefonzentralen und Datenübertragungssystemen werden Relais verwendet, um Sprach- und digitale Leitungen umzuschalten.
• Schutz und Redundanz: Wenn es notwendig ist, ein Signal von einer Antenne auf eine andere oder von einer Leitung auf eine andere umzuschalten, können Relais als zuverlässiger Umschaltmechanismus dienen.

4. Energieversorgung und elektrische Netze

• Überlastschutz: In Verteilungsschaltern können Relais bei Überlastungen oder Kurzschlüssen auslösen und den Stromkreis unterbrechen.
• Umschaltung zwischen Stromquellen: In unterbrechungsfreien Stromversorgungen (z. B. Umschaltung zwischen dem städtischen Netz und einem Generator) werden elektromagnetische Relais für zuverlässige Umschaltungen verwendet.
• Automatische Redundanz: Bei einem Stromausfall in einem Kreis kann automatisch eine Notstromversorgung aktiviert werden.

5. Haushaltsgeräte

• Steuerung einzelner Komponenten: Kühlschränke, Waschmaschinen, Klimaanlagen, Boiler und andere Geräte verwenden häufig Relais zur Steuerung großer Ströme von Heizelementen, Kompressoren und anderen leistungsstarken Komponenten.
• Schutzfunktionen: In vielen Geräten werden Relais installiert, um Notbetriebsmodi zu verhindern (Überhitzungsschutz, Überspannungsschutz usw.).

Vor- und Nachteile elektromagnetischer Relais

Vorteile

1. Einfache Konstruktion und Zuverlässigkeit: Das mechanische Funktionsprinzip ist gut erforscht und wird seit Jahrzehnten verbessert.
2. Hohe Schaltfähigkeit: Können relativ große Ströme und Spannungen schalten.
3. Elektrische Isolation: Relais trennen den Steuerkreis vom Lastkreis und verringern das Risiko von Schäden an elektronischen Komponenten.
4. Vielseitigkeit: Geeignet für viele verschiedene Anwendungen – von der Industrie bis zu Haushaltsgeräten.

Nachteile

1. Mechanischer Verschleiß: Mit der Zeit können die Kontakte abnutzen oder oxidieren, insbesondere bei hohen Strömen oder induktiven Lasten.
2. Begrenzte Schaltgeschwindigkeit: Die mechanische Natur des Relais erlaubt keine sehr hohen Schaltfrequenzen.
3. Energieverbrauch der Spule: Um die Kontakte im Arbeitszustand zu halten, muss die Spule ständig mit Strom versorgt werden.
4. Lautes Geräusch: Beim Auslösen und Abschalten kann ein charakteristisches Klicken auftreten.

Typen und Klassifizierung elektromagnetischer Relais

1. Nach Kontaktart

   • SPST (Single Pole Single Throw) – ein Pol, ein Kontakt.
   • SPDT (Single Pole Double Throw) – ein Pol, zwei Richtungen (NO/NC).
   • DPDT (Double Pole Double Throw) – zwei Pole, jeder mit zwei Richtungen usw.

2. Nach Betriebsspannung der Spule

   • Niederspannungsrelais (3 V, 5 V, 9 V, 12 V, 24 V) – verbreitet in der Elektronik und Automatisierung.
   • Hochspannungsrelais (110 V, 220 V usw.) – werden in industriellen und haushaltsüblichen Netzen eingesetzt.

3. Nach Verwendungszweck

   • Allzweck (General Purpose).
   • Zeitrelais (mit eingebauten Timern).
   • Schutzrelais (zur Erkennung von Überlastungen, Kurzschlüssen).
   • Kontaktor (eine Art leistungsstarkes elektromagnetisches Relais für hohe Ströme).

4. Nach Anzahl der Arbeitszyklen (Lebensdauer)

   • Normale Relais mit mittlerer Lebensdauer (Zehntausende oder Hunderttausende von Auslösungen).
   • Spezielle Industrie-Relais mit erhöhter Lebensdauer (Millionen von Auslösungen).

FAQ zu elektromagnetischen Relais

1. Was ist das Funktionsprinzip eines elektromagnetischen Relais?

Das Wirkprinzip basiert auf der Erzeugung eines Magnetfeldes in der Spule. Wenn Strom durch die Spule fließt, zieht sie den Anker an oder stößt ihn ab, wodurch die elektrischen Kontakte mechanisch geschlossen oder geöffnet werden, was den Stromfluss im externen Kreis ermöglicht oder stoppt.

2. Wie unterscheidet sich ein elektromagnetisches Relais von einem Festkörperrelais?

Ein elektromagnetisches Relais hat mechanische Kontakte, daher gibt es beim Auslösen ein charakteristisches Klicken, und es ist anfällig für mechanischen Verschleiß. Ein Festkörperrelais (SSR) hat keine mechanischen Kontakte und schaltet den Kreis mithilfe von Halbleiterkomponenten. SSR sind schneller im Betrieb, leiser, können jedoch teurer sein und manchmal zusätzliche Kühlkörper zur Wärmeabfuhr benötigen.

3. Wofür werden elektromagnetische Relais verwendet?

Sie werden verwendet, um große elektrische Lasten zu steuern, industrielle Prozesse zu automatisieren, Kommunikationsleitungen umzuschalten, Überlastschutz zu gewährleisten und in vielen Haushaltsgeräten (Klimaanlagen, Waschmaschinen, Boiler usw.) eingesetzt.

4. Was ist der Aufbau eines Elektromagneten im Relais?

Der Aufbau umfasst eine Drahtspule, die auf einen magnetischen Kern gewickelt ist, und ein bewegliches Teil (Anker), das durch das elektromagnetische Feld zum Kern hingezogen wird. Diese mechanische Bewegung ermöglicht es dem Kontakt, den elektrischen Kreis zu schließen oder zu öffnen.

5. Wie wählt man ein elektromagnetisches Relais aus?

Achten Sie auf:

• Betriebsspannung der Spule (5 V, 12 V, 24 V, 220 V usw.).
• Maximalen Strom und Spannung der Kontakte, die das Relais schalten muss.
• Anzahl und Typ der Kontakte (NO/NC, SPDT, DPDT usw.).
• Betriebsumgebung (Temperatur, Feuchtigkeit, mögliche mechanische Belastungen).
• Lebensdauer und Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit.

6. Kann ein elektromagnetisches Relais durch ein elektronisches (Festkörper-) Relais ersetzt werden?

Ja, in vielen Fällen ist das möglich, aber es sollten folgende Punkte berücksichtigt werden:

• Kosten und Kompatibilität mit der Betriebsspannung und dem Strom.
• Notwendigkeit von Kühlkörpern für SSR bei hohen Leistungen.
• Vor- und Nachteile jeder Variante (elektromagnetische Relais isolieren Kreise besser, SSR können sich erwärmen und zusätzlichen Energieverbrauch verursachen).

Fazit

Elektromagnetische Relais sind eine der grundlegenden Technologien, die es ermöglichen, komplexe elektrische Schaltungen zu automatisieren und zu steuern. Ihr Funktionsprinzip basiert auf der Erzeugung eines Magnetfeldes in der Spule, das die Kontakte mechanisch bewegt und den externen Kreis schließt oder öffnet. Aufgrund ihrer Einfachheit, Zuverlässigkeit und Fähigkeit, große Ströme zu schalten, werden solche Relais häufig in industriellen Systemen, Telekommunikation, Haushaltsgeräten und vielen anderen Bereichen eingesetzt.

Das Verständnis des Aufbaus des Elektromagneten, des Mechanismus zum Umschalten der Kontakte und der Konstruktionsmerkmale des Relais ermöglicht es, den richtigen Typ des Geräts auszuwählen und einen langfristigen und sicheren Betrieb elektrischer Systeme zu gewährleisten. Die Berücksichtigung der Vor- und Nachteile hilft, eine fundierte Entscheidung über den Übergang zu anderen Technologien (z. B. Festkörperrelais) oder die Fortsetzung der Verwendung traditioneller elektromagnetischer Relais zu treffen.